硅酸盐岩风化是维持地质时间尺度地球宜居性和碳循环平衡的关键,也是驱动气候变化的重要因子,是系统地球科学和地表地球动力学领域研究的重大基础理论前沿之一。然而,硅酸盐岩风化的控制机理一直存在争论,现有风化动力学无法解释大陆风化与受气候和构造抬升剥蚀之间的复杂关系。因此,开发示踪硅酸盐风化新手段,评估化学风化的强度和通量,是深刻理解化学风化通量与大气CO2之间负反馈的关键。

硅酸盐岩风化是维持地质时间尺度地球宜居性和碳循环平衡的关键,也是驱动气候变化的重要因子,是系统地球科学和地表地球动力学领域研究的重大基础理论前沿之一。然而,硅酸盐岩风化的控制机理一直存在争论,现有风化动力学无法解释大陆风化与受气候和构造抬升剥蚀之间的复杂关系。因此,开发示踪硅酸盐风化新手段,评估化学风化的强度和通量,是深刻理解化学风化通量与大气CO2之间负反馈的关键。

原文刊登于《科学中国人》2016年12期 王涵

Li同位素作为最具潜力的硅酸盐风化示踪剂,是近几年表生地球化学研究的热点之一。然而,已有的河水Li同位素示踪大陆风化的研究主要来自空间上样品,受岩性、气候、水文等因素的影响,对于Li同位素如何反映硅酸盐风化还未达成共识,甚至出现了相互矛盾的观点。黄河中游流经黄土高原,黄土具有较为均一的、可以代表上地壳的元素及Li同位素组成,并得益于季风造成的强烈季节性气候反差,使得Li同位素示踪陆壳尺度上硅酸盐风化成为可能。

Li同位素作为最具潜力的硅酸盐风化示踪剂,是近几年表生地球化学研究的热点之一。然而,已有的河水Li同位素示踪大陆风化的研究主要来自空间上样品,受岩性、气候、水文等因素的影响,对于Li同位素如何反映硅酸盐风化还未达成共识,甚至出现了相互矛盾的观点。黄河中游流经黄土高原,黄土具有较为均一的、可以代表上地壳的元素及Li同位素组成,并得益于季风造成的强烈季节性气候反差,使得Li同位素示踪陆壳尺度上硅酸盐风化成为可能。

(专家简介:金章东,中国科学院地球环境研究所研究员、黄土与第四纪地质国家重点实验室主任,国家杰出青年科学基金获得者,享国务院政府特殊津贴。1971年5月出生,浙江永康人,南京大学地球化学专业博士。曾为中国科学院南京地理与湖泊研究所创新研究员。2007年4月调入中国科学院地球环境研究所工作。已发表论文160余篇,其中SCI收录论文86篇,EI收录论文32篇。入选中国科学院“百人计划”、科技部中青年科技创新领军人才、“万人计划”科技创新领军人才、中国科学十大进展以及十大地质科技进展等。获国家自然科学奖二等奖、中国科学院朱李月华优秀教师奖、科学中国人年度人物等。)

中国科学院地球环境研究所金章东研究员领导的研究团队,联合伦敦大学学院Philip
A. E. Pogge von Strandmann博士和法国Centre National de la Recherche
Scientifique的Albert
Galy教授等利用2013年在黄河中游收集的每周一次的黄河河水和悬浮物样品,结合实时监测温度、径流等参数,解析了黄河河水中Li的来源,并揭示了温度对河水Li同位素的直接控制。研究结果表明,黄河河水Li主要来源于黄土的硅酸盐风化,另一个重要的来源是蒸发岩的溶解,其同位素呈现出约5‰的季节变化。最重要的是,我们首次在黄河中观察到了温度对河水Li同位素组成季节性变化的控制,弥补了标准同位素分馏效应预测的缺失。由此我们提出,在新生代全球温度大约下降15℃的情形下,河水Li同位素季节性变化本身可以解释新生代全球海水Li同位素9‰上升的约四分之一,这为海洋Li同位素组成变化提供了新的线索。

中国科学院地球环境研究所研究员金章东领导的研究团队,联合伦敦大学学院博士Philip
A. E. Pogge von Strandmann和法国Centre National de la Recherche
Scientifique教授Albert
Galy等利用2013年在黄河中游收集的每周一次的黄河河水和悬浮物样品,结合实时监测温度、径流等参数,解析了黄河河水中Li的来源,并揭示了温度对河水Li同位素的直接控制。研究结果表明,黄河河水Li主要来源于黄土的硅酸盐风化,另一个重要的来源是蒸发岩的溶解,其同位素呈现出约5‰的季节变化。最重要的是,研究人员首次在黄河中观察到了温度对河水Li同位素组成季节性变化的控制,弥补了标准同位素分馏效应预测的缺失。由此研究人员提出,在新生代全球温度大约下降15℃的情形下,河水Li同位素季节性变化本身可以解释新生代全球海水Li同位素9‰上升的约四分之一,这为海洋Li同位素组成变化提供了新的线索。

2008年入选中国科学院“百人计划”,2012年获得国家杰出青年科学基金资助,2014年入选科技部中青年科技创新领军人才,2016年入选第二批国家“万人计划”科技创新领军人才……回国十年来,金章东一步一个脚印、几年一个台阶,每天都以饱满的热情和兴致投入科学研究中。

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以上研究结果近日在线发表在国际地学期刊Geochimica Cosmochimica
Acta
上。该研究得到国家自然科学基金、中科院、ERC等共同资助。

如今的金章东,是中国科学院地球环境研究所研究员、黄土与第四纪地质国家重点实验室主任。但作为国内率先开展湖泊流域化学风化研究的学者,多年来,他始终放开眼界,驻足前沿,不断挖掘新“证据”,反演第四纪地质时期的风化—气候真相。“只要是我感兴趣的,我就会去做、去尝试。”他说。

图1 温度控制的黄河河水Li同位素季节性变化

文章链接

为重建印度夏季风历史提供新视角

以上研究结果近日在线发表在国际著名地学期刊Geochimica Cosmochimica
Acta上(链接:

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“自然界的任何东西,包括岩石、矿物、树木、建筑等,无时无刻不在风化”,金章东解释道,风化是一种化学反应,它是指物质在水、大气、生物等作用下,形态或者物质组成发生改变的过程。“最重要的是,化学风化是地球表层物质循环的关键过程之一。”

(地表过程与化学风化研究室供稿)

温度控制的黄河河水Li同位素季节性变化

金章东认为,在一个流域内,岩石风化后的残余经搬运而保留在沉积物里,刚好可以通过分析这些沉积物的组成变化来反演当时的化学风化过程。“风化的另一个重要作用是在风化过程中消耗大气CO2。通常情况下,风化程度越高,消耗的CO2越多,大气中的CO2含量就会降低,气候也会变冷。”当硅酸盐岩、灰岩等经风化溶解到水体中,其中的碳酸氢根会被带到湖泊或海洋中沉淀下来,所吸收的CO2也就被固定在湖泊和海洋沉积物中。这也是学术界重视化学风化的一个重要原因。“最近80万年,从冰心里获得的CO2浓度呈现冰期—间冰期周期变化。间冰期里,气候暖和,气温高、风化作用增强,消耗的CO2多,导致大气CO2含量降低,等低到一定程度就会进入冰期;在冰期,风化作用弱,消耗的CO2少,当大气CO2浓度累积到一定程度,气候又会回暖。”

到底是风化作用先行,还是CO2累积先行?听起来似乎是一个“先有鸡还是先有蛋”的悖论,一直未有定论。然而,2011年8月5日,《科学》刊登的一篇研究论文独辟蹊径,作出了一个新注解。该文章通过对云南鹤庆湖泊沉积岩心获得的印度夏季风变迁时间序列的精细结构及与全球记录对比的深入分析,从新视角提出了“冰期—间冰期印度夏季风动力学”理论,揭示了南北半球冰量和气温引起的跨赤道气压梯度的变化,驱动冰期—间冰期印度夏季风和流域化学风化的变迁,并入选2011年中国科学十大进展和十大地质科技进展

该研究始自2002年。那年夏天,中国科学院南京地理与湖泊研究所的研究团队在云南省鹤庆盆地实施了中国大陆环境科学钻探工程的第一钻。彼时,31岁的金章东刚“出道”,还在“跟钻”,“钻井队打钻时,我在一旁做记录,把他们钻到什么程度,钻出来的是什么地层、岩性等,都一一记录下来。”

尽管当时只跟了一个多月的钻,却成就了金章东与该研究随后十多年的渊源。几年后,当他回国以主要研究骨干的身份重新加入安芷生院士研究团队时,他对该研究的认知已经发生了重大变化。

“印度夏季风环流是由亚洲大陆的印度低压和南印度洋的马斯克林高压组成的气压系统,是地球上独特的、联系南北半球海—气过程的耦合系统,在跨赤道的热量和动能传输方面,其它气候系统无法比拟。”印度夏季风环流的重要性,一直备受瞩目。以往,人们研究长时间尺度印度夏季风演化时,主要利用海洋沉积物展开。虽然海洋沉积物组成变化可揭示构造和轨道尺度印度夏季风的变率和机制,但是对冰期—间冰期印度夏季风变迁及其与南北半球气候的关系一直缺乏深入的认识。

鹤庆盆地纳入中国大陆环境科学钻探的视野并非偶然。位于青藏高原东南缘的鹤庆盆地,受印度夏季风影响颇深。最重要的是,其过去是一个封闭古湖泊,发育着巨厚且连续的湖相沉积物。早在1996年,王苏民研究团队就曾钻取过168米的高质量沉积岩心;2002年获得的666米连续的沉积岩心成为重建冰期—间冰期印度夏季风历史的理想素材。

“印度夏季风在冰期—间冰期尺度上的波动,会导致流域化学风化作用的变化。季风强盛时,气温高、降水多,流域风化增强;进入冰期,季风减弱,气温也低,风化作用也随之减弱,吸收的CO2就少。这意味着,流域风化强度的变化与冰期—间冰期季风变化是同步的。因此,我提出可以将反映风化的Rb/Sr值用来反演季风强度的变化。”金章东说。

经历了十来年的积累,课题组首先利用独立于印度夏季风的铁杉含量进行轨道调谐,建立了可靠的年代标尺,然后提出鹤庆湖泊沉积物有机碳含量和Rb/Sr值可反映印度夏季风强度的变化,即高TOC含量指示强季风,而高Rb/Sr值反映弱季风,并将这两个替代性指标集成为印度夏季风强度的综合代用指标。

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